【Ni-MOF-74】孔工程金属有机框架材料对水和氟碳制冷剂的优异吸附性能及其在吸附冷却中的应用

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摘要：
金属有机框架（MOFs）在吸附冷却领域潜力显著。本文通过含1-3个苯环的有机配体，构建了水稳定性良好、孔径可调的Ni-MOF-74系列材料，其对水和氟碳制冷剂R134a吸附性能优异。首次报道了MOFs中氟碳R134a的吸附等温线，材料吸附行为差异源于孔径不同导致的孔道疏水/亲水特性差异。

研究背景：
1.行业问题和研究现状：吸附冷却系统能耗高、传统吸附剂（硅胶、活性炭等）可调性差；MOFs虽具潜力，但多数亲水MOFs用水作吸附质时扩散受限，氟碳制冷剂虽适用却缺乏适配MOFs研究。
2.本文创新：将孔工程理念应用于更稳定的Ni-MOF-74，通过改变有机 linker长度调变孔径，研究孔环境对水和R134a吸附的影响。

实验部分：
1.Ni-MOF-74系列合成：采用溶剂热法，将硝酸镍与不同配体（H₂-dobdc、H₄-BPP、H₄-TPP）按1:2比例溶于DMF/乙醇/水（1:1:1）混合溶剂，100℃反应24h，产物用甲醇浸泡3天（每日换液），制得Ni-MOF-74、Ni-BPP、Ni-TPP。
2.吸附实验：水吸附用VTI-SA+分析仪，25℃、RH 5%-95%下测；R134a吸附用IGA仪，25℃、真空活化后测，得吸附-脱附等温线。
3.量热实验：Setaram TGA-DSC 111微量天平，25℃下分步通入H₂O或R134a蒸汽，测吸附热。

分析测试：
1.XRD：Rigaku MiniFlex 600测得，Ni-MOF-74等晶胞体积分别为3323Å³、9578Å³、14680Å³，与模拟谱图吻合，纯度高。
2.N₂吸附-脱附：Micromeritics ASAP 2020测得，BET比表面积分别为1146、2039、1975m²/g，总孔容0.49、0.88、1.14cm³/g，孔径11、17、23Å。
3.TGA：SETARAM SENSYS evo测得，25-150℃失重~20%（失溶剂），400℃以上框架分解，孔扩展MOFs更稳定。
4.FTIR：ThermoScientific Nicolete仪测得，水吸附中3659cm⁻¹等为O-H与Ni²⁺作用峰，R134a吸附中1034cm⁻¹为C-F与Ni²⁺作用峰。

总结：
1.主要研究结果：Ni-TPP水吸附量达0.9g/g，R134a饱和吸附量Ni-TPP为0.77g/g；吸附热随孔径增大而降低。
2.创新突破：实现Ni-MOF-74孔径精准调控，阐明水和R134a在MOFs中的吸附机制。
3.潜在意义：为吸附冷却提供高效MOF/氟碳工作对，1034cm⁻¹峰可用于制冷剂检漏。

Pore-Engineered Metal−Organic Frameworks with Excellent Adsorption of Water and Fluorocarbon Refrigerant for Cooling Applications
文章作者：Jian Zheng, Rama S. Vemuri, Luis Estevez, Phillip K. Koech, Tamas Varga, Donald M. Camaioni, Thomas A. Blake, B. Peter McGrail, Radha Kishan Motkuri
DOI：10.1021/jacs.7b04872
文章链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.7b04872

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